İTÜ ve GWP Ödülleri ile MBR Çalıştayı Üzerine… (Konuyla ilgili “Evsel Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler ile Maliyet Etkin Olarak Yeniden Kullanımı” Tebliği de bu yorum yazısının altında verilmiştir)

Yorum

Bu yorum yazımda; Dr. Hale Özgün’ün aldığı İstanbul Teknik Üniversitesi ve Almanya German Water Partnership (GWP) Ödülleri ile kendisinin MBR’la ilgili çalışması ve İTÜ-MEMTEK’in “MBR for the Next Generation 2016” çalıştayı hakkında sizleri bilgilendireceğim.

“Anaerobic Membrane Bioreactors for Cost-Effective Municipal Water Reuse” başlıklı, danışmanlığını Prof. Dr. Cumali Kınacı ve Prof. Dr. Jules B. van Lier’in yaptığı doktora tez çalışması ile Dr. Hale Özgün, İstanbul Teknik Üniversitesi tarafından verilen “İTÜ-2015 En Başarılı Tez Ödülleri”den birini aldı. Bu ödül kendisine 21 Haziran 2016 tarihinde aşağıdaki fotoğrafta görüldüğü gibi İTÜ Rektörü Prof.Dr. Mehmet Karaca tarafından doktora danışmanı Prof.Dr. Cumali Kınacı ve İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü Prof. Dr. İsmail Koyuncu’nun huzurunda verildi.

Su ve atıksu konularında çalışan ve sürdürülebilir atıksu arıtma alanında sıradışı bilimsel çalışmalar yapan genç Türk uzmanlara, Almanya’daki German Water Partnership (GWP) tarafından ödüle layık görülen Hale Özgün’e birincilik ödülü, GWP Direktörü Christine von Lonski, GWP Türkiye Ülke Forumu Başkanı Hans Joachim Werner ve bazı Alman şirketlerinin yöneticileri tarafından Ankara’da 2015 yılında gerçekleştirilen IFAT Eurasia Fuarı kapsamında düzenlenen bir törenle takdim edilmişti.

Dr. Hale Özgün’ün GWP’den aldığı ödül, IFAT Eurasia Fuarı’nda kendisine sunulmuştu

Bu ödüllerle taltif edilen Dr. Araştırma Görevlisi Hale Özgün’ün Membran filtrelerle ilgili yapmış olduğu ve Delft Üniversitesi ile İstanbul Teknik Üniversitesi tarafından ayrı ayrı doktora çalışması olarak kabul edilen araştırmasının bir özeti, benim önerim üzerine Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi’nin bu sayısında kendi kaleminden ayrıca sizlerin de değerlendirmesine sunulmaktadır. Dr. Özgün, “Evsel Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler ile Maliyet Etkin Olarak Yeniden Kullanımı” isimli doktora çalışmasında, evsel atıksuların tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımının anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi ile sağlanabileceğini ortaya koymakta ve elde edilen biyogazın anaerobik membran biyoreaktör işletiminde katkı sağlayacağını vurgulamaktadır.

Doktora tezinin kısa bir özeti olan bu makale, benim Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi’nin Nisan sayısında Dr. Mustafa Evren Erşahin, Dr. Hale Özgün ve Dr. Kaan Dereli ile membran filtreler konusunda yaptığım röportajı tamamlayan niteliktedir.

Dünyada ve ülkemizde membran teknolojilerinin kullanımı giderek artmaktadır. Üniversitelerde ve araştırma kuruluşlarında bu konu üzerinde çok sayıda araştırma ve uygulama çalışması yürütülmektedir.

10 Mayıs 2016 tarihinde Prof. Dr. Dinçer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi tarafından “MBR for the Next Generation 2016” çalıştayı tertiplenmiştir. Benim de katıldığım bu çalıştayda, MEMTEK tarafından yürütülen iki farklı TÜBİTAK projesinin ve bunun yanında Türkiye’de yürütülen MBR projelerinin sonuçları detaylı bir şekilde sunulmuş ve sonuçlar tartışılmıştır.

İTÜ bünyesinde Türkiye’de membran üretmek, proses geliştirmek, membran teknolojileri üzerinde çalışan araştırmacılara fırsatlar sunmak ve global membran bilimine katkılarda bulunmak amacıyla yeni adı ile Kalkınma Bakanlığı’nın desteği ve Prof. Dr. İsmail Koyuncu’nun yürütücülüğünde 2010 senesinde İTÜ bünyesinde Ulusal Membran Teknolojileri Merkezi (MEM-TEK) kurulmuştur.  Türkiye’de membran sistemler yaygın olarak kullanılmasına rağmen polimerik veya seramik membran üretimi için herhangi bir tesis bulunmamaktadır. MEM-TEK’in, yaptığı ve tamamladığı ilk çalışmalardan birisi “Farklı Polimerler Kullanılarak Düz-Plaka Membran ve Modül Üretimi”, diğeri ise “Su ve Atıksu Arıtımı için Yenilikçi Membran Modülü Üretimi” olmuştur.

Merkezin tamamladığı ve yürüttüğü çok sayıda proje bulunmaktadır. Ayrıca, Merkez patent aldığı gibi yeni patent başvurusu da yapmıştır. Bu çalışmaların ve patentin bir an önce endüstrimiz tarafından kullanıma sunulmasını temenni ediyorum.

Yaptığı araştırmalarda elde ettiği bulguları yurtdışında ve yurtiçinde kitap ve dergilerde yayınlayan MEM-TEK, membran teknolojileri ve uygulamaları sempozyumları ve çalıştayları da tertiplemektedir. “4. Ulusal Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu” 2015 yılında MEMTEK ile birlikte Süleyman Demirel Üniversitesi’nde düzenlenmişti. Merkezin Müdürü ve İTÜ İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Öğretim Üyesi Prof. Dr. İsmail Koyuncu’nun açılış konuşması ile başlayan bu çalıştayda, yurtdışından ve yurtiçinden konuşmacı ve dinleyicinin katılımıyla Membran Biyoreaktörler (MBR) konusunda yapılan son çalışmalar ve araştırmalar hakkında çok sayıda tebliğ sunuldu.

Prof. Dr. İsmail Koyuncu, ricam üzerine çalıştayla ilgili şu yorumlarda bulundu: “İlk olarak Membran Biyoreaktör konusundaki son gelişmelerin anlatıldığı genel bir sunuş yapılmıştır. Daha sonra son dönemlerde önemli çalışmaların yapıldığı seramik membran biyoreaktörler konusu ele alınmıştır. Sunulan bildiriler arasında özellikle en dikkat çekici çalışmalar, membran üzerinde oluşan biyotıkanmayı azaltıcı çalışmalar olmuştur. Güney Kore’den gelen araştırmacıların da katılımıyla membran üzerinde biyofilm oluşturan bakteriler arasındaki iletişimin biyoteknolojik yöntemlerle kesilerek, Membran Biyoreaktör membranları üzerindeki biyofilm oluşumunun önlenmesi konusunda yapılan sunuşlar çok ilgi görmüştür. Bir diğer oturumda ise yeni bir proses olan ileri ozmos membran biyoreaktörleri, ülkemizin birçok farklı üniversitesinde gerçekleştirilmiş endüstriyel atıksuların membran biyoreaktör ile arıtımı ve mikrokirleticilerin membran biyoreaktörler ile giderimi sunulmuştur. Yüksek akıya sahip ileri ozmos membranları biyoreaktör içine yerleştirilmiş ve konvansiyonel membran biyoreaktör sistemlerine alternatif, ileri ozmos membran biyoreaktör prosesi geliştirilmiştir. Bu proses, yakın zamanda önemli çalışmaların başlangıç noktası olabilir. Çalıştayda sunulan önemli çalışmalardan birisi de, titreşimli membran biyoreaktör sistemi olmuştur. Bu konuda yürütülen projelerde yapılan laboratuvar ve pilot ölçekli çalışmalarda elde edilen önemli sonuçlar farklı bir oturumda paylaşılmıştır. Çalıştayın son oturumunda ise anaerobik membran biyoreaktör konusunda üç farklı sunuş yapılmıştır. Su kaynaklarının korunması bakımından atıksuyun geri kazanımı çok önemli bir hale gelmiştir. Membran biyoreaktörler de bunun en önemli aktörlerindedir. Membran biyoreaktör konusundaki bu çalıştay sayesinde elde edilen bulgular, özel kuruluşlar, devlet kurumları ve diğer akademisyenler ile paylaşılmış oldu. Yabancı araştırmacıların da çalışmalarını sunduğu bu çalıştayda, ülkemizde membran biyoreaktörler konusunda çok ciddi çalışmaların yapılmış olduğunu gördüm. Türkiye’de membran ve modül üretimi konusunda önemli araştırmaların yürütüldüğü Prof. Dr. Dinçer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi’nde, membran biyoreaktörler konusunda da birçok proje yürütülmektedir. Bu projelerin yerli kaynaklar ile gerçekleştirilmesi, bize bu çalışmaların ne kadar değerli çalışmalar olduğunu göstermektedir. Bu çalışmaların aynı şevkle devamını diliyorum”.

Ben de başarılı bir çalıştay tertipledikleri için Prof. Koyuncu ve arkadaşlarını tebrik ediyorum ve MEMTEK bünyesindeki çalışmalarını başarıyla sürdürmelerini temenni ediyorum.

Yorum yazımla ilgili aşağıdaki makalenin hazırlanması tarafımdan tavsiye edilmiştir.

Evsel Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler ile Maliyet Etkin Olarak Yeniden Kullanımı

DR. HALE ÖZGÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi
İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü
Araştırma Görevlisi

Evsel atıksudan anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi kullanılarak yüksek besi madde, düşük patojen içeriği olan ve katı madde içermeyen su eldesi, günümüzde yoğun olarak araştırılmaktadır. Anaerobik membran biyoreaktörler diğer teknolojilere göre daha az yer kaplamakta olup, sadece atıksu arıtma amaçlı değil, aynı zamanda besi madde içeriği yüksek su eldesi amacıyla da kullanılmaktadır. Böylece evsel atıksuların tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımına olanak sağlanmaktadır. Ayrıca anaerobik prosesler ile elde edilen biyogaz, anaerobik membran biyoreaktör işletiminde gerekli olan enerji ihtiyacını azaltmaktadır. Belirtilen avantajlarının dışında, anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi tam ölçekli uygulamalarda membran tıkanma problemine yol açmaktadır.

Tıkanmaya bağlı olarak oluşan yüksek enerji gereksinimi ve yatırım maliyeti, bu teknolojinin dezavantajları
arasında sıralanabilir. Evsel atıksular birçok ülkede düşük organik madde içerikli ve hizmet edilen nüfusa bağlı
olarak yüksek miktarda oluşmaktadır. Ancak su korunumu ve ayrık kanalizasyon sistemlerinin kurulması ile ilgili
devam eden çalışmalar, yakın gelecekte evsel atıksu karakterizasyonunda değişimlerin olabileceğini göstermektedir.
Membranların ayırma özelliği sayesinde evsel atıksu karakterizasyonundaki değişimler, çıkış suyu kalitesini büyük
ölçüde etkilemeyecektir.

Arıtma tesisi konfigürasyonu, membran özellikleri, çamur ve giriş atıksu karakterizasyonu ve işletme koşulları gibi tasarım ve işletme ile ilgili birçok faktör, anaerobik membran biyoreaktörlerde tıkanma potansiyeline etki
etmektedir. Bunların arasında reaktör dizaynı, çamurun tıkama potansiyelini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Özellikle son on yılda tam karışımlı reaktör, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve genleşmiş granüler
çamur yataklı reaktörler gibi farklı birçok anaerobik reaktör tipinin farklı membran türleri ile birlikte kullanıldığı
pek çok çalışma yapılmıştır. Bu alternatifler arasında yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerde çamur
yerine reaktör üst suyu membrana ulaşmaktadır. Dolayısıyla tıkanma ile ilgili problemleri azaltması açısından bu
kombinasyon avantajlı görülmektedir.

Doktora kapsamında yaptığım çalışmanın temel amacı, evsel atıksudan tarımsal sulamada kullanma amaçlı
düşük patojen yüksek besi madde içeriği olan su eldesini ve enerji geri kazanımını sağlayacak yenilikçi bir
anaerobik membran biyoreaktör konfigürasyonunun uygulanabilirliğinin araştırılmasıdır. Bu çalışmanın gerçekleştirilmesi ile membrana ulaşacak olan toplam katı madde yükü kontrol edilerek akı artışının sağlanması ve anaerobik membran biyoreaktörlerin tam ölçekli evsel atıksu arıtımında kullanılması hedeflenmiştir. Çalışmada kullanılan deneysel sistem Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1. Deneysel anaerobik membran biyoreaktör sistemi

Anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü içeren sistem, evsel atıksu arıtımında farklı sistemlerde karşılaşılabilecek birçok dezavantajı önleyebilecek potansiyeldedir. Önerilen sistemde; yan akım membran ünitesi, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve buna paralel olarak çalışacak çürütücü kullanılmıştır. Çürütücü 0 ile 40 °C arasında istenilen sıcaklıkta işletilebilir. Sistemde kullanılacak olan membran modülü tübüler olarak dizayn edilmiş olup, modül içerisinde 28 adet ince fiber membran bulunmaktadır. Membran fiberlerinin çapı, yüksek debili evsel atıksular için filtrasyon alanını artırma amaçlı oldukça düşük olacak şekilde 1.5 mm seçilmiştir (Şekil 2).

Şekil 2. Sistemde kullanılan membran

Membran öncesinde yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör kullanılması ile büyük katı maddelerin reaktörde
tutularak sadece reaktör üst sıvısının membrana ulaşması, böylece modül girişinde tıkanmanın önlenmesi
hedeflenmiştir. Bunun yanısıra, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve çürütücü kombinasyonu düşük sıcaklıklarda evsel atıksu arıtımı ve çamur stabilizasyonu açısından ideal bir sistem olarak öne sürülmektedir. Bu kombinasyona membran ilavesinin yapılması ile özellikle ılıman iklimli bölgelerde evsel atıksuyun tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımı için yüksek kalitede besi madde içeriği yüksek su elde edilmesi hedeflenmektedir.

Bu çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerin
membran ile entegrasyonunun 25 °C için oldukça uygun olduğu görülmüştür. Çamur çökelme özelliğinde gözlenen
bozulmaya rağmen, girişte 530±30 mg/L olan ortalama kimyasal oksijen ihtiyacı, membran çıkışında 42 mg/L’ye
düşmüş ve katı madde içermeyen bir süzüntü elde edilmiştir (Şekil 3).

Şekil 3. Sistemde kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonlarının değişimi

Membran sistemlerde transmembran basınç değeri işletimde dikkate alınması gereken önemli bir parametredir.
Transmembran basınç, membran filtrasyon işlemlerinde membranın her iki yüzeyinde oluşan basınç değişiminden
belirlenen membran geçiş basıncıdır. Transmembran basınç membran tıkanması ile doğrudan ilişkilidir. Tıkanma;
membran yüzeyinde, partiküller, kolloidal maddeler, makromoleküller, tuzlar vb. birikmesi sonucu oluşur. Deneysel
çalışmalar sonucunda, sistemin ortalama transmembran basınç değeri 85 mbar olarak belirlenmiş olup (Şekil
4), elde edilen düşük transmembran basınç değerleri, membranda ciddi seviyelerde tıkanma probleminin
olmadığını göstermiştir. 20. günde transmembran basınçta gözlenen ani artış, yukarı akışlı havasız çamur yataklı
reaktör çıkışında gözlenen ani kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonu artışı ile ilişkilendirilebilir.

Şekil 4. Sistemde transmembran basıncın değişimi

Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkışındaki partiküler maddeler, membran modülünü oluşturan fiber
membranların bazılarının girişini tıkayarak ani basınç artışına neden olmuştur. Fakat bu durum geri yıkama ile önlenmiştir. Sistem 15 °C’de işletildiğinde, arıtma performansı 25 °C’deki ile aynı olmakla birlikte, filtrasyon performansında ciddi seviyelerde bozulma gözlenmiştir. Düşük sıcaklıkta anaerobik sistemlerde gözlenen düşük hidroliz hızına bağlı olarak sistemde partiküler madde birikimi daha yüksek seviyede olmuştur. Bu durum da, sistemde yüksek transmembran basıncın gözlenmesine, dolayısıyla tıkanmanın artmasına neden olmuştur. Yüksek tıkanma potansiyeli de sistemin mühendislik uygulamaları açısından kullanılmasını büyük ölçüde engellemektedir. Özetle, 15 °C’de sistemin filtrasyon performansında düşük sıcaklığa bağlı bozulmalar belirlenmiştir. Ancak sistemin arıtma performansında membrana bağlı olarak herhangi bir düşüş gözlenmemiştir.

Bu çalışmada önerilen arıtma sistemi, sınırlı su kaynakları ve atıksu arıtımında yaşanan sıkıntılar dikkate
alındığında, ülkemizde kolaylıkla uygulama alanı bulabilecektir. Özellikle son yıllarda yaşanan su kıtlığı nedeniyle
yeni su kaynakları bulma konusunun önem kazandığı günümüzde bu çalışma, atıksu arıtımı ve atıksuyun
yeniden kullanımı konusunda bilimsel olarak yüksek seviyede bilgi birikiminin literatüre kazandırılmasını sağlamıştır.

Kaynaklar

– Liao, B., Kraemer, J. T. & Bagley, D. M. (2006). Anaerobic Membrane Bioreactors: Applications and Research Directions, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 36 (6), 489-530.
– Ozgun, H., Dereli, R. K., Ersahin, M. E., Kinaci, C., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2013a). A Review of Anaerobic Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater Treatment: Integration Options, Limitations and Expectations,
Separation and Purification Technology, 118, 89-104.
– Ozgun, H., Ersahin, M. E, Tao, Y., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2013b). Effect of Upflow Velocity on the Effluent Membrane Fouling Potential in Membrane Coupled Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors, Bioresource Technology, 147, 285-292.
– Ozgun, H., Gimenez, J. B., Ersahin, M. E., Tao, Y., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2015a). Impact of Membrane Addition for Effluent Extraction on the Performance and Sludge Characteristics of Upflow Anaerobic Sludge Blanket
Reactors Treating Municipal Wastewater, Journal of Membrane Science, 479, 95-104.
– Ozgun, H., Tao, Y., Ersahin, M. E., Zhou, Z., Gimenez, J. B., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2015b). Impact of Temperature on Feed-flow Characteristics and Filtration performance of an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Coupled Ultrafiltration Membrane Treating Municipal Wastewater, Water Research, 83, 71-83.